Descripción general de las vías metabólicas, el flujo energético en una célula, anabolismo y catabolismo.

Introducción

¿Qué está sucediendo en tu cuerpo ahora mismo? Tu primera respuesta podría ser que tienes hambre o que tus músculos están adoloridos después de una carrera o que estás cansado. Pero vayamos a un nivel más profundo, más allá de tu consciencia y veamos qué está pasando en tus células.
Si pudieras echar un vistazo dentro de cualquier célula de tu cuerpo, verías que es un centro de mucha actividad, más parecido a un bullicioso mercado al aire libre que a una habitación tranquila. Tanto si estás despierto o dormido, corriendo o viendo la televisión, la energía está siendo transformada dentro de tus células, cambiando de forma al tiempo que las moléculas realizan las reacciones químicas interconectadas que te mantienen vivo y funcional.

Visión general del metabolismo

Las células están continuamente realizando miles de reacciones químicas necesarias para mantener vivas y sanas a las células y a todo tu organismo. Estas reacciones químicas a menudo están vinculadas en cadenas o vías. Todas las reacciones químicas que suceden dentro de una célula se conocen en conjunto como el metabolismo de la célula.
Para darnos una idea de la complejidad del metabolismo, examinemos el diagrama metabólico a continuación. Para mi, este enredo de líneas parece un mapa de un enorme sistema de trenes o una elegante placa de circuitos. De hecho, es un diagrama de las vías metabólicas principales en una célula eucarionte, como las células que conforman el cuerpo humano. Cada línea es una reacción y cada círculo es un reactivo o producto.
Diagrama abstracto que representa las redes metabólicas eucariontes fundamentales. El objetivo principal del diagrama es indicar que el metabolismo es complejo y está altamente interconectado, con muchas rutas diferentes que se alimentan entre sí.
Crédito de la imagen: "Diagrama del metabolismo" por Zlir'a (dominio público).
En la red metabóica de la célula, algunas reacciones químicas liberan energía y pueden suceder espontáneamente (sin aporte de energía). Sin embargo, otras necesitan que se agregue energía para poder llevarse a cabo. De la misma forma como necesitas alimentarte continuamente para reponer lo que usa tu cuerpo, también las células necesitan una entrada continua de energía para impulsar sus reacciones químicas que requieren energía. De hecho, ¡los alimentos que consumes son la fuente de energía que utilizan tus células!
Para concretar la idea de metabolismo un poco más, examinemos dos procesos metabólicos que son fundamentales para la vida en la Tierra: aquellos que contruyen azúcares y aquellos que los descomponen.

La degradación de la glucosa: la respiración celular

Como un ejemplo de una vía que libera energía, veamos cómo una de tus células podría degradar una molécula de azúcar (digamos, del dulce que tomaste como postre).
Muchas células, incluso la mayoría de las células de tu cuerpo, obtienen energía de la glucosa (C6H12O6\text C_6\text H_{12}\text O_6) en un proceso llamado respiración celular. Durante este proceso, una molécula de glucosa se degrada gradualmente, en muchos pasos pequeños. Sin embargo, el proceso tienen la siguiente reacción general:
C6H12O6\text C_6\text H_{12}\text O_6 + 6O26\text O_2 6CO26\text CO_2 + 6H2O6 \text H_2\text O + energaıˊ\text {energía}
La descomposición de la glucosa libera energía, y esta es capturada en la célula en la forma de trifosfato de adenosina, o ATP. El ATP es una molécula pequeña que le da a la célula una manera conveniente de almacenar energía por un periodo breve.
Una vez que se produce el ATP, otras reacciones en la célula lo pueden usar como fuente de energía. De igual forma que los humanos utilizamos dinero porque es más sencillo que usar el trueque cada vez que necesitamos algo, así la células usan ATP para tener una forma estandarizada para transferir energía. Debido a esto, en ocasiones el ATP se describe como la "moneda energética" de la célula.

La fabricación de glucosa: la fotosíntesis

Como ejemplo de una vía metabólica que requiere energía, demos la vuelta al ejemplo anterior para ver cómo se construye una molécula de azúcar.
Las plantas fabrican los azúcares como la glucosa en un proceso llamado fotosíntesis. En la fotosíntesis, las plantas utilizan energía solar para convertir el gas dióxido de carbono en moléculas de azúcar. Este proceso sucede en muchos pasos pequeños, pero su reacción general es justo la reacción de la respiración a la inversa:
6CO26 \text {CO}_2 + 6H2O6 \text H_2\text O + energaıˊ\text {energía} C6H12O6\text C_6\text H_{12}\text O_6 + 6O26\text O_2
Al igual que nosotros, las plantas necesitan energía para impulsar sus procesos celulares, así que parte de los azúcares los utiliza la misma planta. También pueden proporcionar una fuente de alimento para los animales que se comen la planta, como la ardilla que se muestra a continuación. En ambos casos, la glucosa se degradará a través de la respiración celular, y generará ATP para que la célula pueda seguir funcionando.
Izquierda: imagen de un árbol en el que crecen bellotas. Derecha: imagen de una ardilla comiendo una bellota.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología. "Bellota", modificación de la obra de Noel Reynolds; “Ardilla", modificación de la obra de Dawn Huczek.

Rutas anabólicas y catabólicas

Tanto el proceso de fabricación de glucosa como el de su degradación son ejemplos de vías metabólicas. Una vía metabólica es una serie de reacciones químicas conectadas que se alimentan unas a otras. La vía toma una o más moléculas de inicio y, a través de una serie de moléculas intermedias, las convierte en productos.
Las vías metabólicas se pueden dividir en general en dos categorías según sus efectos. La fotosíntesis, que fabrica azúcares a partir de moléculas más pequeñas, es una vía "de construcción" o anabólica. En constraste, la respiración celular descompone el azúcar en moléculas más pequeñas y es una vía "de degradación" o catabólica.
Ruta anabólica: las moléculas pequeñas se ensamblan entre sí para construir moléculas más grandes. Este proceso habitualmente requiere de energía.
Ruta catabólica: las moléculas grandes se rompen en moléculas más pequeñas. Este proceso habitualmente libera energía.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología
Las vías anabólicas construyen moléculas complejas a partir de moléculas sencillas y usualmente necesitan el aporte de energía. La fabricación de glucosa a partir de dióxido de carbono es un ejemplo. Otros ejemplos incluyen la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos, o la producción de cadenas de ADN a partir de nucleótidos, que son los componentes fundamentales de los ácidos nucleicos. Estos procesos biosintéticos son cruciales para la vida de las células, se realizan continuamente y utilizan energía contenida en el ATP y otras moléculas que almacenan energía de corto plazo.
Las vías catabólicas involucran la degradación de moléculas complejas en moléculas más sencillas y usualmente liberan energía. La energía almacenada en los enlaces de las moléculas complejas, tales como la glucosa y los lípidos, se libera en las vías catabólicas. Luego se extrae en formas que impulsan el trabajo de la célula, por ejemplo a través de la síntesis de ATP.
Este es un truco de uno de mis amigos de la preparatoria: puedes recordar que las vías Catabólicas implican la degradación de la célula o el hecho de Canibalizar sus propias moléculas.
Una nota final pero importante: las reacciones químicas en las vías metabólicas no suceden automáticamente, sin alguna dirección. Por el contrario, cada reacción en una vía es facilitada o catalizada por una proteína llamada enzima. Puedes conocer más sobre las enzimas y cómo controlan las reacciones bioquímicas en el tema enzimas.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Energy and metabolism (Energía y metabolismo),” escrito por OpenStax Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:28/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias complementarias:

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L., y Stryer, L. (2002). Metabolism is composed of many coupled, interconnected reactions (El metabolismo se compone de muchas reacciones acopladas interconectadas). En Biochemistry (Bioquímica) (5ª ed, section 14.1). Nueva York, NY: W.H. Freeman. Tomado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22439/.
Carter, P. (s.f.). Catabolic and anabolic reactions (Reacciones anabólicas y catabólicas). En Microbial metabolism. Tomado de http://classes.midlandstech.edu/carterp/courses/bio225/chap05/lecture1.htm.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). An introduction to metabolism (Introducción al metabolismo). En Campbell biology (Biología de Campbell) (10a ed., págs. 141-161). San Francisco, CA: Pearson.
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